【集合List系列四】CopyOnWriteArrayList

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1.什么是 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是 Java 中的一个线程安全的 List 实现类，它是 ArrayList 的线程安全版本。CopyOnWriteArrayList 允许多个线程同时读取 List 中的元素，而不需要进行额外的同步操作。当有写操作时，CopyOnWriteArrayList 会将 List 中的元素复制一份，然后进行修改，修改完成后再将新的 List 替换原来的 List。

2.CopyOnWriteArrayList 特点

CopyOnWriteArrayList 的主要特点如下：

1. 线程安全：CopyOnWriteArrayList 是线程安全的，可以在多线程环境中安全地使用。
2. 读操作不锁定：CopyOnWriteArrayList 的读操作不需要进行锁定，因此读操作的性能很高。
3. 写操作复制数组：CopyOnWriteArrayList 的写操作会将 List 中的元素复制一份，然后进行修改，修改完成后再将新的 List 替换原来的 List。因此，写操作的性能较低，而且会消耗更多的内存。

特点:

• 写操作在一个复制的数组上进行，读操作还是在原始数组中进行，读写分离，互不影响。
• 写操作需要加锁，防止并发写入时导致写入数据丢失。
• 写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。
• 在写操作的同时允许读操作，大大提高了读操作的性能，因此很适合读多写少的应用场景。
• 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右。
• 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。
• 写入也不会阻塞读取操作，只有写入和写入之间需要进行同步等待，读操作的性能得到大幅度提升。

3.CopyOnWriteArrayList 使用场景

CopyOnWriteArrayList 的使用场景主要是在读操作远远多于写操作的情况下，例如缓存和事件监听器列表等。

CopyOnWriteArrayList 为 ArrayList 的线程安全版本,俗称写时复制,此思想在多种中间件中都有使用,比如 nacos,sentinel 等中间件.空间换时间,保证读的最大效率,牺牲一点写的性能.多使用在都多写少的场景下.由于读操作根本不会修改原有的数据，因此如果每次读取都进行加锁操作，其实是一种资源浪费。我们应该允许多个线程同时访问 List 的内部数据，毕竟读操作是线程安全的。

CopyOnWriteArrayList 其底层数据结构也是数组，但是在写操作的时候都会拷贝一份数据进行修改，修改完后替换掉老数据，从而保证只阻塞写操作，读操作不会阻塞，实现读写分离。

4.CopyOnWriteArrayList 简介

• CopyOnWriteArrayList 线程安全，默认容量为长度为 1 的 Object 数组，允许元素为 null。
• 使用 ReentrantLock 可重入锁，保证写操作的线程安全。
• 在写操作时，都需要拷贝一份数组，然后在拷贝的数组中进行相应的操作，最后再替换旧数组。
• 采用读写分离的实现，写操作加锁，读操作不加锁，而且写操作会占用较多空间，因此适用于读多写少的场景。
• CopyOnWriteArrayList 能保证最终一致性，但是不保证实时一致性，因为在写操作未完，而进行读操作时，由于写操作在新数组中操作，并不会影响到读操作，这是造成数据不一致性。
• CopyOnWriteArrayList 返回迭代器不会抛出 ConcurrentModificationException 异常，即它不是 fail-fast 机制的

5.CopyOnWriteArrayList 原理

• CopyOnWriteArrayList 默认容量是数组长度为 1 的 Object 类型数组。

• 操作 array 底层数组，都是通过 setArray 和 getArray 来进行的。

/** The lock protecting all mutators */
// 使用可重入锁进行加锁，保证线程安全
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
// 底层数据结构，注意这里用volatile修饰，确定了多线程情况下的可见性
private transient volatile Object[] array;

CopyOnWriteArrayList原理:

1. CopyOnWriteArrayList 实现了 List 接口，因此它是一个队列。
2. CopyOnWriteArrayList 包含了成员 lock。每一个 CopyOnWriteArrayList 都和一个监视器锁 lock 绑定，通过 lock，实现了对 CopyOnWriteArrayList 的互斥访问。
3. CopyOnWriteArrayList 包含了成员 array 数组，这说明 CopyOnWriteArrayList 本质上通过数组实现的。
4. CopyOnWriteArrayList 的“动态数组”机制 – 它内部有个“volatile 数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile 数组”。这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因!CopyOnWriteArrayList 就是通过这种方式实现的动态数组；不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList 效率很 低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
5. CopyOnWriteArrayList 的“线程安全”机制 – 是通过 volatile 和 ReentrantLock 来实现的。
6. CopyOnWriteArrayList 是通过“volatile 数组”来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时，总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入；就这样，通过 volatile 提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的 保证。
7. CopyOnWriteArrayList 通过监视器锁 ReentrantLock 来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取监视器锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile 数组”中，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。

6.CopyOnWriteArrayList 的 add 方法

add 操作是加了锁的，利用了 ReentrantLock 进行加锁，注意使用该方式进行加锁，需要手动释放。

整个过程是新建了一个新的数组（数组长度加 1），然后将新元素放在最后一位，最后替换掉旧数组

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {
    Object[] elements = getArray();int len = elements.length;// 注意这里将数组长度加1Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);// 新元素放在最后一位newElements[len] = e;setArray(newElements);return true;} finally {
    lock.unlock();}
}

7.写时复制的缺点?

内存占用问题:

• 因为 CopyOnWrite 的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，这一点会占用额外的内存空间。
• 在元素较多或者复杂的情况下，复制的开销很大
• 复制过程不仅会占用双倍内存，还需要消耗 CPU 等资源，会降低整体性能。

数据一致性问题:由于 CopyOnWrite 容器的修改是先修改副本，所以这次修改对于其他线程来说，并不是实时能看到的，只有在修改完之后才能体现出来。如果你希望写入的的数据马上能被其他线程看到，CopyOnWrite 容器是不适用的。volatile 关键字,数据可见性

private transient volatile Object[] array;

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